陈运嘉庚

（西北工业大学动力与能源学院飞行器动力工程专业，陕西 西安 710068）

1 引言

航空发动机结构设计是计算与实验相结合，理论与经验相结合的复杂的过程。伴随着CAD/CAE技术在航空发动机领域内越来越广泛的应用以及参数化设计的发展，国内外已有许多学者将参数化建模引入发动机的设计和分析过程中，并对此进行了大量研究。本文是基于一个成熟的花键、圆弧端齿、涡轮轴设计方案，引入参数化设计思想，提出其快速建模的方法，以满足工程设计中的需求，降低设计过程中反复修改尺寸带来的重复建模工作量，在此基础上整理已有程序，为涡轮设计生成一个典型结构件建模系统。

2 花键、圆弧端齿、涡轮轴结构形式及特点

2.1 花键及其结构设计

花键在航空发动机压气机和涡轮中是很常用的一种零件，它主要借助键齿连接传递扭矩。本文主要讨论广泛应用于航空发动机上的渐开线花键。绘制花键主要参数有：模数m、齿数z、压力角α、大径De，内花键的齿根圆或外花键的齿顶圆的直径、小径 Di，内花键的齿顶圆或外花键的齿根圆的直径以及分度圆直径 D。压力角α可以取30°、37.5°和45°；齿根分为平齿根和圆齿根。根据三种齿形角和两种齿根规定了四种基本齿廓，在对花键进行参数化建模时，四种齿廓作为四种拓扑结构供用户单项选择，内外花键形式作为两种拓扑结构供用户单项选择，用户仅仅需要输入模数m、齿数z、拉伸起始位置和拉伸终止位置即可，其余的参数可以通过这些参数计算得出。

2.2 圆弧端齿及其结构设计

圆弧端齿是一种特殊结构形式的端齿盘，其轮齿呈弧形，由专用机床磨削加工而成，本文进行参数化建模研究的是两侧齿面不同的固定式、单排结构形式的圆弧端齿。圆弧端齿的主要设计参数包括圆弧端齿内外径、齿宽、齿数和模数、齿顶倒角、过渡圆弧设计等。选择圆弧端齿外径时推荐两种方式：一种方式是利用扭矩-端齿外径经验关系曲线图来选择端齿外径，第二种方法是根据公式进行计算。齿宽常常选为圆弧端齿外径的0.125倍，以保证齿面轮径向的弧度合适。如果端齿外径已经确定，那么可以根据径节确定齿数。齿顶倒角高由式T=f2×m确定；齿顶倒角推荐角度范围为20°～30°。

2.3 涡轮轴及其结构设计

对输出轴做输出功的涡轮称为动力涡轮，动力涡轮分为定轴涡轮和自由涡轮两种，真实的自由涡轮轴上包含小孔、倒角和套齿等小尺寸结构。考虑这些细节的精细建模可能因为分网等原因使得计算结果失真，因此，参数化模型时对结构进行部分简化。不考虑套齿、花键、轴孔等结构特征的简化涡轮轴，可视作一个经复杂截面回转360°而成的实体。

3 花键、圆弧端齿涡轮轴的参数化设计

3.1 花键的参数化建模

首先对花键进行手动建模，对UG进行二次开发。根据上一节提到的花键建模所需参数，设计出MFC对话框，作为参数化建模的人机交互的用户界面；对输入尺寸驱动参数的编辑框插入成员变量；声明、定义诸如拓扑结构所对应的参数及绘图所需的函数；建立草图，再经过一系列函数及程序的调用，完成特征创建，最后得到给定条件的花键。

3.2 圆弧端齿的参数化建模

参照实际加工过程，完成圆弧端齿的手动建模，根据上一节提到的圆弧端齿建模所需参数，设计出MFC对话框，作为参数化建模的人机交互的用户界面；对输入尺寸驱动参数的编辑框插入成员变量；声明、定义诸如拓扑结构所对应的参数及绘图所需的函数；生成圆弧端齿底座，即带孔圆台；通过函数的调用生成圆弧端齿的三个齿形面，对生成的三个面进行缝合，再通过修剪实体修剪出该实体；将修剪出的实体进行阵列，与前面生成的带孔圆台进行布尔求差得到圆弧端齿。

3.3 涡轮轴参数化建模

首先对涡轮轴进行手动建模，对UG进行二次开发。根据上一节提到的涡轮轴建模所需参数，设计出MFC对话框，作为参数化建模的人机交互的用户界面。然后，对输入尺寸驱动参数的编辑框插入成员变量；声明、定义诸如拓扑结构所对应的参数及绘图所需的函数；利用函数建立草图，创建特征（回转）将第一步生成的涡轮轴草图以X方向（即涡轮盘轴向）为旋转轴，旋转360度，即可生成涡轮轴的三维图，对键槽草图进行拉伸和阵列，创建键槽。

4 参数化建模系统的建立

4.1 参数化建模

本文所包含的参数化的建模是通过UG软件二次开发实现，并通过编写二次开发程序完成人机交互平台，使参数化建模通过这个人机交互平台实现，设计人员将尺寸驱动参数的具体量输入到用户界面中的相应位置，平台通过二次开发程序将模型输出到UG中，实现建模。二次开发使用UG API系统，支持C，C++语言。首先，设置Windows环境变量，然后逐一更改新建项目的属性：包括附加目录、运行库、附加库目录、附加依赖项等。

4.2 各特征设计模块集成应用

本文开发的涡轮盘典型特征参数化设计模块所适用的CAD平台为UG NX，编制语言为VS编程平台下的MFC对话框技术。实现功能为在UG中呼出自行设计的用户操作界面，按照界面中的指示输入设计此结构所需要的尺寸及位置定位参数，程序执行完毕后自动生成满足设计要求的几何模型。VS平台开发UG参数化建模二次开发程序时，需要对程序项目属性进行设置，保证其包含UGOPEN中所用到的函数库。各设计模块程序在VS平台编译运行结果为DLL格式应用程序文件，此文件可在UG中直接菜单浏览执行，也可以制作为用户菜单，将各参数化设计模块功能集成于UG人机交互界面菜单中。

结语

本文将参数化设计思想引入到花键、圆弧端齿、涡轮轴结构设计中，提出并建立了一种快速建模的方法。该方法旨在满足工程设计中的需求，降低设计过程中反复修改尺寸带来的重复建模工作量，将设计人员从大量的重复劳动中解放出来。

[1]应济，张万利.基于特征的参数化建模技术的研究[J].机电工程，2003.

[2]虞跨海，李立州，岳珠峰.基于解析及特征造型的涡轮冷却叶片参数化设计[J].推进技术，2007.